CC BY
11INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE INDUSTRY" APRIL 27-28, 2023
ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ МОДУЛЬ «ЖИТЕНЬ» 1Гвоздовский Дмитрий, 2Баранова Мария, 3Ловшенко Иван, 4Маркелов Илья, Стемпицкий Виктор
1,2,з,4Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
https://doi.org/10.5281/zenodo.7853552
Аннотация. В данной работе проведен анализ устройств для автоматизации выращивания зелени и овощей. Предложена концепция программно-аппаратного модуля «ЖИТЕНЬ», которая учитывает основные недостатки современных аналогов. На базе научно-исследовательской лаборатории БГУИР создан работающий прототип программно-аппаратного модуля, который соответствует концепции интернета вещей и в зависимости от масштаба и назначения может быть встроен в систему «умного дома», современного высокотехнологичного сельскохозяйственного предприятия или в развитую систему городской инфраструктуры.
Ключевые слова. Программно-аппаратный модуль, искусственная среда, выращивание растений, система датчиков, мобильное приложение, интернет вещей.
ВВЕДЕНИЕ
Спрос на технологии выращивания растений в искусственной среде (ИС) увеличивается с каждым годом. Одним из основных элементов таких технологий является оборудование, которое контролирует параметры ИС (влажность, освещенность, кислотность питательного раствора, уровень содержания солей), осуществляет коммуникацию, орошение и прочее. На данный момент основными потребителями таких технологий являются Северная Америка и Европа. Также бурно развивается азиатский рынок и, с учетом потенциального объема, вскоре станет лидером в данной области. Глобальным драйвером роста спроса на сегодняшний день являются нехватка плодородных почв, продовольственная безопасность стран, спрос на полезное питание, необходимость в повышении эффективности выращивания растений [1].
В Республике Беларусь повышение уровня жизни, выражаемое ростом количества объектов общественного питания, увеличением спроса на полезную и вкусную пищу, а также ограничения, связанные с климатом, формирует спрос на подобные технологии.
Среди основных мировых тенденций в данной сфере главным на сегодняшний день является применение информационных технологии: пользовательский интерфейс для системы контроля; веб- и облачные технологии для удаленного контроля и интеграции в современные бизнес-процессы; сбор, обработка и анализ данных для повышения эффективности работы; персонализация продукта; снижение издержек на маркетинговое продвижение [2].
Внедрение интернета вещей (IoT) в любую из сфер человеческой жизнедеятельности приносит положительный эффект. Внедрение в промышленность позволяет повысить операционную эффективность, сократить затраты, оптимизировать логистику, повысить качество обслуживания и прочее. Для клиентов, которые не имеют отношения к бизнес -сегменту, IoT является средой, которая позволяет сократить временные затраты и повысить удобство использования за счет применения привычных интерфейсов.
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE INDUSTRY" APRIL 27-28, 2023
Программно-аппаратный модуль (ПАМ) - это развитая система взаимодействующих устройств, которая функционирует за счет программных средств. Такая технология соответствует концепции интернета вещей. Ожидается, что мировой рынок IoT будет расти в среднем на 16,4 % в период с 2023 по 2028 годы и достигнет 542 млрд $ к 2028 году [3].
Таким образом, изделия, включающие технологию ПАМ, будут являться инновационными решениями для повышения эффективности сельскохозяйственных предприятий из-за снижения рисков и издержек. Для физических лиц и предприятий общественного питания технология позволит снизить временные затраты и гарантирует ожидаемый результат.
Анализ аналогов ПАМ «ЖИТЕНЬ»
Производство растений в искусственной среде требует подбора эффективных режимов выращивания, которые включают заданные интервалы параметров (влажности, температуры, освещения, состава питательного раствора и прочее). Мировой рынок устройств на основе ИС представлен широкой линейкой, начиная от простых, где нет автоматизации, и заканчивая сложными системами, где присутствуют датчики контроля режимов выращивая, коммуникационные системы, системы контроля микроклимата и прочее. В таблице 1 представлены основные характеристики исследуемых ИС.
Таблица 1.
Общие и функциональные характеристики ИС
Компания/ торговая марка Klarstein Grow[4] Green helper[5] Over grower[6] Aero Garden[7] Verdeat[8] Ponics Pilot[9]
География рынка Великобритания Россия Россия США Польша Россия
Основные клиенты В2С B2B, В2С B2B В2С В2С B2B
Цена, $ 129* 895* 2592* 1010* 844* 2420*
Интерьерное решение + + - + + -
Мобильное приложение - + + + + +
Режимы выращивания - - + - - +
Кислотность - - + - - +
Содержание солей - - + - - +
Датчики Влажность - - +*** - + +***
Освещенност ь - - - + - -
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE INDUSTRY" APRIL 27-28, 2023
Уровень жидкости + - + +
Температура - - - - +
Механика Освещение - + -
Автоподъем лампы - - - - - -
Слив жидкости - + - - +
Автополив - - - - -
Смешивание раствора - - + - - +
Камера наблюдения - - - - - +
* Данные представлены на 01.03.2023 ** Таймер с режимом (14/10)
*** Функционал предоставляется отдельным модулем
Из таблицы 1 видно, что небольшие ИС должны иметь интерьерное решение и быть простыми в эксплуатации (реализуется с помощью предустановленных режимов в мобильном приложении и уведомлений) чтобы конкурировать на современном рынке. Крупные ИС (заказные) должны иметь систему датчиков и исполнительных устройств для смешивания питательного раствора с целью создания среды с необходимыми параметрами кислотности и минерального состава, а также все компоненты ПАМ должны быть связаны в одну общую систему мониторинга посредством программного обеспечения.
Анализ представленных на рынке изделий демонстрирует, что заказные ПАМ должны иметь набор датчиков и исполнительных устройств, которые связаны в одну общую систему мониторинга посредством программного обеспечения. Независимо от выбранной среда выращивания (аэропоника, гидропоника или грунт), главное -предоставить готовое решение с понятным интерфейсом и возможностью пользовательской настройки режимов выращивания, независимо от используемой площади (от квадратного метра на подоконнике до больших предприятий).
Принцип работы ПАМ «ЖИТЕНЬ»
На основе данных анализа рынка подобных устройств и запросов потенциальных потребителей на сегодняшний день в БГУИР разработана концепция ПАМ, а также создан работающий прототип. ПАМ «ЖИТЕНЬ» представляет собой совокупность объединенных в сеть датчиков и исполнительных устройств, которые контролируют и корректируют текущие параметры ИС в соответствии с предустановленными режимами выращивания растений (рисунок 1, а).
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE INDUSTRY" APRIL 27-28, 2023
ЖИЩЯ Й1МЯШ
pH
Ec
а б
Рисунок 1. Схема программно-аппаратного модуля «ЖИТЕНЬ» (а) и готовый прототип на выставке «Беларусь интеллектуальная 2023» (б)
Архитектура ПАМ «ЖИТЕНЬ» включает в себя четыре функциональных уровня:
1. Датчики и актуаторы обеспечивают сбор и обработку информации в реальном времени и выполнение требуемых функций.
В ПАМ предусмотрены следующие решения: счетчик реального времени (для контроля синхронизации работы компонентов ПАМ), датчик уровня питательного раствора для своевременного пополнения резервуара, шаговый двигатель для подъема фитолампы, датчик расстояния для определения высоты растения и уровня подъема лампы, датчик кислотности, датчик концентрации растворенных в воде солей для контроля состава питательного раствора, датчик освещенности для повышения энергоэффективности установки, камера для фотофиксации и визуального контроля.
2. Для данных, получаемый на первом уровне, в качестве транспортной среды используется проводная связь внутри устройства, Bluetooth для связи c мобильным устройством, Wi-Fi и/или Ethernet - для связи с облачным хранилищем и сервером.
3. Набор информационных услуг призван автоматизировать операции с помощью запрограммированных режимов. Автоматизация позволяет снизить степень вовлеченности человека. Также предусмотрена возможность установки пользовательских режимов.
4. Пользовательский интерфейс предусматривает мобильное приложение с выбором предустановленными режимами работы («Томат», «Салат» и т.д.), удаленным контролем за ростом, историей развития растения (графики роста растения, содержания солей и уровень pH), элементами гемификации (фотофиксация стадий роста с созданием gif-изображений и возможностью публикации в социальных сетях).
Такой подход соответствует концепции IoT и в зависимости от масштаба и назначения ИС может быть встроен в систему «умного дома», современного высокотехнологичного сельскохозяйственного предприятия или в развитую систему городской инфраструктуры.
Преимущества ПАМ «ЖИТЕНЬ»
<©> Камера
п ИС
п
лз
ÛJ Ja eu — ф
2
зс Контроллер
00
Емкость для ЖИДКОСТИ
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE INDUSTRY" APRIL 27-28, 2023
В сегменте небольших модулей конкурентными преимуществами ПАМ «ЖИТЕНЬ» являются: применение информационных технологий (не все аналоги обладают мобильным приложением, либо имеют очень простой функционал); использование датчиков (аналоги если и имеют систему датчиков, то только базовый набор) и освещения с настраиваемой высотой (зачастую в подобных модулях лампы расположены на фиксированной высоте, либо имеют телескопический держатель, что ограничивает выбор растений по габаритам и не дает возможности устанавливать освящение в зависимости от стадии роста). Для физических лиц, предприятий общественного питания (B2C) возможно использовать полностью готовое решение, которое включает небольшую по размерам ИС (до 2 м2 полезной площади) с интерьерным решением и упрощенную версию ПАМ.
В сегменте крупных модулей аналоги, которые имели бы развитую информационную систему мониторинга, на белорусском рынке отсутствуют. Возможность регионального сервисного обслуживания является конкурентным преимуществом. Для крупных клиентов, таких как сельскохозяйственные предприятия (B2B), возможна реализация ПАМ со сложной системой датчиков и исполнительных устройств для смешивания и контроля питательного раствора.
ПАМ «ЖИТЕНЬ» вышел в финал конкурса Инновационных проектов в 2022 году в (номинация «Лучший молодежный проект»). Прототип представлен на выставке «Беларусь интеллектуальная» (рисунок 1, б), где получил много отзывов (в том числе направленных на совершенствование функционала), а также предложения о сотрудничестве.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложенный программно-аппаратный модуль «ЖИТЕНЬ» с помощью системы датчиков и исполнительных устройств позволяет производить настройку режимов работы, соответствующие необходимым условиям для конкретного растения, управлять и контролировать процесс выращивания удаленно, накапливать информацию в облаке сервиса для анализа и корректировки режимов работы. ПАМ «ЖИТЕНЬ» соответствует концепции интернета вещей и в зависимости от масштаба и назначения ИС может быть встроен в систему «умного дома», современного высокотехнологичного сельскохозяйственного предприятия или в развитую систему городской инфраструктуры.
REFERENCES
1. Карпук В. В., Сидорова С. Г. Растениеводство : учеб. пособие // Минск : БГУ, 2011. -351 с.
2. Meticulous Market Research Pvt. Ltd. // [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.globenewswire.com/en/search/organization/Meticulous%2520Market%2520Re search%2520Pvt§%2520Ltd§ (дата обращения 01.03.2023).
3. Hydroponics Market Analysis // [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.coherentmarketinsights.com/market-insight/hydroponics-market-1001 (дата обращения 01.03.2023).
4. GrowIt Farm Smart Indoor Garden // [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.klarstein.co.uk/Kitchen-Appliances/Indoor-Garden/GrowIt-Farm-Smart-Indoor-Garden-28-Plants-48W-LED-8-Litres-28-plants.html (дата обращения 01.03.2023).
5. Интеллектуальная гидропонная плантация // [Электронный ресурс]. Режим доступа:
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE INDUSTRY" APRIL 27-28, 2023
https://greenhelper.ru/catalog/intellektualnaya-gidroponnaya-plantatsiya/ (дата обращения 01.03.2023).
6. Прибор автоматизации OverGrower // [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://growmama.ru/catalog/oborudovanie_dlya_podderzhki_mikroklimata_izmerenie/avto matizatsiya/over_grower/23407/ (дата обращения 01.03.2023).
7. AeroGarden: Indoor Gardens, Grow Lights, Seed Kits and More // [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://aerogarden.com/home/ (дата обращения 01.03.2023).
8. Verdeat // [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://verdeat.com/ (дата обращения 01.03.2023).
9. Прибор автоматизации E-MODE Ponics Pilot // [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://rastok.net/item/ponics-pilot/ (дата обращения 01.03.2023).
